Понятие о синергетике

Ее основоположниками являются русский по происхождению ученый Илья Романович Пригожин (1917-2003) (умер в Бельгии), лауреат Нобелевской премии (1977); англичанка И. Стэнгерс и немецкий математик Г. Хакен.

Название имеет греческие корни и буквально означает «совместное действие» (формулировка Г. Хакена). И.Р. Пригожин предпочел название «диссипативные системы». Открытые неравновесные системы, как правило, состоят из большого числа элементов, взаимодействующих между собой.

Такие системы стремятся к самоорганизации, т.е. к возникновению порядка из беспорядка. Ничего подобного не происходит в изолированных системах, в которых возрастает энтропия и которые поэтому стремятся к хаосу.

Синергетика прекрасно объяснила эволюционные процессы в природных и социальных системах, поскольку для нее характерен системный (целостный) подход к таким объектам. Значительный импульс изучению процессов самоорганизации придало возникновение кибернетики.

В открытых неравновесных системах происходит накопление флуктуаций, что делает систему неустойчивой. Максимально неустойчивое состояние называется точкой бифуркации. Пройдя точку бифуркации, система или разрушается или переходит на новый уровень. Схема самоорганизации с примерами из биологии и социологии показана на рис. 6.

Первый пример взят из биологии (видообразование): в недрах старого вида 1 накапливаются мутации (структурные изменений гена), приводящие к неустойчивости этого вида и угрожающие его существованию. Точкой бифуркации в биологии можно считать дарвиновский естественный отбор, в результате которого (в зависимости от мутации) может произойти вымирание вида или переход его на иной уровень, т.е. возникновение вида 2.

Второй пример – из социологии: смена общественно-экономических формаций. Внутри любого общественно-политического строя накапливаются противоречия, которые раскачивают строй изнутри и создают угрозу его существования. Точкой бифуркации в обществе является революция, приводящая к разрушению старого строя и переходу к новой общественно-экономической формации.

Примеры самоорганизации: в химии это автокаталитические реакции Белоусова – Жаботинского, в биологии – видообразование (эволюция), в экологии – организация сообществ, в космологии – возникновение спиральных галактик, в социологии – смена общественно-экономических формаций. С точки зрения синэргетики возникновение жизни на Земле уже не кажется таким маловероятным явлением, как полагали раньше.

Рис. 6. Схема самоорганизации открытых неравновесных систем (с двумя примерами).

Состояния вещества

Как было установлено еще в ХIХ веке, все вещества состоят из молекул. Молекулы находятся в непрерывном движении. Агрегатное состояние веществаопределяется соотношением между потенциальной энергией притяжения молекул и средней кинетической энергией их теплового движения, которая пропорциональна абсолютной температуре (Т).

Газообразное состояние вещества определяется тем, что кинетическая энергия теплового движения молекул существенно выше потенциальной энергии ихвзаимодействия. Газ не имеет структуры, легко сжимается, поскольку расстояния между молекулами значительно больше их размеров, занимает весь объем сосуда, в который помещен; столкновения вежду молекулами идеально упругие. Для газообразного состояния характерна максимальная энтропия.

В жидком состоянии потенциальная энергия притяжения молекул немного больше их кинетической тепловой энергии. Жидкости трудно сжимаются и принимают форму сосуда, в котором находятся. Слои молекул сдвигаются относительно друг друга, что обуславливает текучесть жидкостей. Для них характерна изотропия свойств, т.е. одинаковость во всех направлениях.

В твердом состоянии потенциальная энергия связи атомов в молекулах существенно выше кинетической энергии их теплового движения. Атомы (или молекулы) в твердом веществе фиксированы и подвержены только колебаниям около положения равновесия. Для твердых кристаллических веществ характерна периодически повторяющаяся структура – кристаллическая решетка. Кристаллы – это вершина упорядоченности (в неживой природе), энтропия в них минимальна. Переходы вещества из одного состояния в другое называются фазовыми переходами.

Очевидно, что состояние вещества и условия фазового перехода зависят от соотношения температуры и давления. В земных условиях вода может находиться в трех фазовых состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (пар).

В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактики, межгалактическое пространство. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, магнитосферы и ионосферы. Высокотемпературная плазма (миллионы К) из смеси дейтерия и трития используется при исследовании термоядерного синтеза. Низкотемпературная плазма применяется в различных газоразрядных приборах (например, плазма при комнатной температуре осуществляется в лампах дневного света).

Таким образом, классическая термодинамика, описывающая изолированные равновесные системы, была завершена к концу ХIХ века, а в середине ХХ века родилась новая наука – синергетика, описывающая открытые неравновесные системы.

5.4.